WAT IS EEN SUPERZWAAR ZWART GAT?

Send

In 1971 veronderstelden de Engelse astronomen Donald Lynden-Bell en Martin Rees dat een superzwaar zwart gat (SMBH) zich in het centrum van ons Melkwegstelsel bevindt. Dit was gebaseerd op hun werk met radiostelsels, waaruit bleek dat de enorme hoeveelheden energie die door deze objecten werden uitgestraald, te wijten was aan het feit dat gas en materie werden geaccreteerd op een zwart gat in hun centrum.

In 1974 werd het eerste bewijs voor deze SMBH gevonden toen astronomen een enorme radiobron ontdekten die uit het centrum van ons sterrenstelsel kwam. Deze regio, die ze Boogschutter A * noemden, is meer dan 10 miljoen keer zo groot als onze eigen zon. Sinds zijn ontdekking hebben astronomen bewijs gevonden dat er superzware zwarte gaten zijn in de centra van de meeste spiraalvormige en elliptische sterrenstelsels in het waarneembare heelal.

Omschrijving:

Superzware zwarte gaten (SMBH) onderscheiden zich op een aantal manieren van zwarte gaten met een lagere massa. Om te beginnen, omdat SMBH een veel hogere massa heeft dan kleinere zwarte gaten, hebben ze ook een lagere gemiddelde dichtheid. Dit komt omdat bij alle bolvormige objecten het volume recht evenredig is met de kubus van de straal, terwijl de minimale dichtheid van een zwart gat omgekeerd evenredig is met het kwadraat van de massa.

Bovendien zijn de getijdenkrachten in de buurt van de horizon van gebeurtenissen aanzienlijk zwakker voor enorme zwarte gaten. Net als bij dichtheid is de getijdenkracht op een lichaam aan de horizon van de gebeurtenis omgekeerd evenredig met het kwadraat van de massa. Als zodanig zou een object geen significante getijdekracht ervaren totdat het erg diep in het zwarte gat was.

Vorming:

Hoe SMBH's worden gevormd, blijft onderwerp van veel wetenschappelijk debat. Astrofysici geloven grotendeels dat ze het resultaat zijn van fusies van zwarte gaten en de aanwas van materie. Maar waar de "zaden" (d.w.z. voorlopers) van deze zwarte gaten vandaan kwamen, is waar meningsverschillen ontstaan. Momenteel is de meest voor de hand liggende hypothese dat ze de overblijfselen zijn van verschillende massieve sterren die explodeerden, die werden gevormd door de aanwas van materie in het galactische centrum.

Een andere theorie is dat voordat de eerste sterren in ons sterrenstelsel werden gevormd, een grote gaswolk instortte tot een 'qausi-ster' die instabiel werd door radiale verstoringen. Vervolgens veranderde het in een zwart gat van ongeveer 20 zonsmassa's zonder dat een supernova-explosie nodig was. In de loop van de tijd groeide de massa snel op om een tussenliggend en vervolgens superzwaar zwart gat te worden.

In weer een ander model ervoer een dichte stellaire cluster het instorten van de kern als gevolg van snelheidsdispersie in de kern, die gebeurde bij relativistische snelheden als gevolg van negatieve warmtecapaciteit. Ten slotte is er de theorie dat primordiale zwarte gaten direct na de oerknal direct door externe druk zijn geproduceerd. Deze en andere theorieën blijven voorlopig theoretisch.

Boogschutter A *:

Meerdere bewijslijnen wijzen op het bestaan van een SMBH in het centrum van ons sterrenstelsel. Hoewel er geen directe waarnemingen zijn gedaan van Boogschutter A *, is de aanwezigheid ervan afgeleid uit de invloed die het heeft op omliggende objecten. De meest opvallende hiervan is S2, een ster die een elliptische baan rond de Boogschutter A * -radiobron laat stromen.

S2 heeft een omlooptijd van 15,2 jaar en bereikt een minimale afstand van 18 miljard km (11,18 miljard mi, 120 AU) vanaf het centrum van het centrale object. Alleen een superzwaar object kan hiervoor verantwoordelijk zijn, aangezien geen andere oorzaak kan worden onderscheiden. En vanuit de baanparameters van S2 hebben astronomen schattingen kunnen maken over de grootte en massa van het object.

Zo hebben de bewegingen van S2 astronomen ertoe gebracht te berekenen dat het object in het centrum van zijn baan niet minder dan 4,1 miljoen zonsmassa's (8,2 × 10³³ ton; 9,04 × 10³³ US ton) mag hebben. Bovendien zou de straal van dit object kleiner moeten zijn dan 120 AU, anders zou S2 ermee botsen.

Het beste bewijs tot nu toe werd echter in 2008 geleverd door het Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics en UCLAs Galactic Center Group. Met behulp van gegevens verkregen over een periode van 16 jaar door de Very Large Telescope en Keck Telescope van ESO, konden ze niet alleen de afstand tot het centrum van ons sterrenstelsel (27.000 lichtjaar van de aarde) nauwkeurig schatten, maar ook de banen van de sterren volgen daar met enorme precisie.

Zoals Reinhard Genzel, de teamleider van het Max-Planck-Instituut voor Buitenaardse Fysica zei:

“Het meest spectaculaire aspect van onze langetermijnstudie is ongetwijfeld dat het heeft opgeleverd wat nu wordt beschouwd als het beste empirische bewijs dat superzware zwarte gaten echt bestaan. De stellaire banen in het Galactisch Centrum laten zien dat de centrale massaconcentratie van vier miljoen zonsmassa's zonder enige twijfel een zwart gat moet zijn. '

Een andere aanwijzing voor de aanwezigheid van Boogschutter A * was op 5 januari 2015, toen NASA melding maakte van een recordbrekende röntgenflare vanuit het centrum van ons sterrenstelsel. Op basis van metingen van het Chandra X-ray Observatory rapporteerden ze emissies die 400 keer helderder waren dan normaal. Men dacht dat deze het resultaat waren van een asteroïde die in het zwarte gat viel, of door de verstrengeling van magnetische veldlijnen in het gas dat erin stroomde.

Andere sterrenstelsels:

Astronomen hebben ook bewijs gevonden van SMBH's in het centrum van andere sterrenstelsels binnen de lokale groep en daarbuiten. Deze omvatten het nabijgelegen Andromeda-sterrenstelsel (M31) en het elliptische sterrenstelsel M32, en het verre spiraalstelsel NGC 4395. Dit is gebaseerd op het feit dat sterren en gaswolken nabij het centrum van deze sterrenstelsels een waarneembare snelheidstoename vertonen.

Een andere indicatie is Active Galactic Nuclei (AGN), waar periodiek massale uitbarstingen van radio-, microgolf-, infrarood-, optische, ultraviolette (UV), röntgen- en gammastraalgolven worden gedetecteerd afkomstig uit de gebieden van koude materie (gas en stof) ) in het centrum van grotere sterrenstelsels. Hoewel de straling niet afkomstig is van de zwarte gaten zelf, wordt aangenomen dat de invloed van zo'n massief object op de omringende materie de oorzaak is.

Kortom, gas en stof vormen accretieschijven in het centrum van sterrenstelsels die om superzware zwarte gaten draaien, waardoor ze geleidelijk materie krijgen. De ongelooflijke zwaartekracht in dit gebied comprimeert het materiaal van de schijf tot het miljoenen graden Kelvin bereikt, wat heldere straling en elektromagnetische energie genereert. Een corona van heet materiaal vormt zich ook boven de accretieschijf en kan fotonen verspreiden tot röntgenenergieën.

De interactie tussen het roterende magnetische veld van SMBH en de accretieschijf creëert ook krachtige magnetische stralen die materiaal boven en onder het zwarte gat afvuren met relativistische snelheden (d.w.z. met een aanzienlijk deel van de lichtsnelheid). Deze stralen kunnen honderdduizenden lichtjaren lang zijn en zijn een tweede potentiële bron van waargenomen straling.

Wanneer het Andromeda-sterrenstelsel binnen een paar miljard jaar opgaat in het onze, zal het superzware zwarte gat dat zich in het midden bevindt, opgaan in het onze en een veel massiever en krachtiger gat produceren. Deze interactie zal waarschijnlijk verschillende sterren uit ons gecombineerde sterrenstelsel schoppen (waardoor schurkensterren ontstaan), en zal er waarschijnlijk ook voor zorgen dat onze galactische kern (die momenteel inactief is) weer actief wordt.

De studie van zwarte gaten staat nog in de kinderschoenen. En wat we de afgelopen decennia alleen hebben geleerd, was zowel opwindend als ontzagwekkend. Of ze nu lichter of superzwaar zijn, zwarte gaten zijn een integraal onderdeel van ons universum en spelen een actieve rol in de evolutie ervan.

Wie weet wat we zullen vinden als we dieper in het universum turen? Misschien zullen we op een dag de technologie en pure durf hebben, zodat we zouden kunnen proberen om onder de sluier van een eventhorizon te pieken. Kun je je voorstellen dat dit gebeurt?

We hebben hier bij Space Magazine veel interessante artikelen geschreven over zwarte gaten. Hier gaat elke redelijke twijfel voorbij: een superzwaar zwart gat leeft in het centrum van onze Melkweg, X-Ray Flare Echo onthult superzware Black Hole Torus, hoe weeg je een superzwaar zwart gat? Neem de temperatuur en wat gebeurt er als superzware zwarte gaten botsen?

Astronomy Cast ook enkele relevante afleveringen over het onderwerp. Hier is aflevering 18: zwarte en kleine gaten, en aflevering 98: quasars.

Meer te ontdekken: Astronomy Cast's afleveringen Quasars en Black Holes Big and Small.

Bronnen: